（化学工程专业论文）石油化工装置的柔性分析及柔性优化改造研究.pdf

摘要 摘要 随着日益激烈的竞争和经济的全球化趋势，过程工业对原料、产品质量等方面 的要求越来越高，对装置设备的要求也逐渐提高，希望现有的装置或即将启用的装 置都具备一定的柔性，以满足生产变化的需要。柔性问题是目前过程系统工程研究 开发的热点之一。 本文从数学规划的思想出发，对石化企业的一些典型化工单元( 如简单精馏塔、 泵送系统、换热网络) 的柔性进行了分析研究。针对不同的装置，给出了相应的计 算柔性指数的数学模型。在求解精馏塔柔性分析的模型时，提出了热力学方法与数 学规划法相结合的方法，根据热力学的分析，提出了精馏过程柔性分析关键是研究 其操作上限的观点，使柔性分析的模型得到简化。 在对装置进行柔性分析的同时，本文还对一些典型化工装置( 如简单精馏塔、 再沸器) 的柔性改造问题进行了研究，先提出了单个石化装置的柔性优化改造模型， 在此基础上，本文还以常减匝装置为例，给出了常减压装置的柔性优化改造的分析 研究。 关键词：过程系统；柔性；优化 华南理工大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h eg l o b a l i z a t i o no fe c o n o m ya n dt h ei n t e n s i v em a r k e tc o m p e t i t i o n ，i no r d e r t om e e tt h ec h a n g e si no p e r a t i o n ，i ti si m p o r t a n tt h a td e s i g n e du n i to rp l a n ti np r o c e s s i n d u s t r y s h o u l dh a v ec o n s i d e r a b l ea c c o m m o d a t i o no r f l e x i b i l i t y f o rt h ec h a n g e si n c a p a c i t y , r a wm a t e r i a l t h eq u a l i t y s p e c i f i c a t i o no ft h ep r o d u c t s i ti sn e c e s s a r y t o d e v e l o pt h et h e o r y a n dp r a c t i c a l t e c h n o l o g yf o r t h e o p t i m i z a t i o n o ff l e x i b l e d e s i g n u r g e n t l y , w h i c h i st h e h o t s p o t i nr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t i np r o c e s s s y s t e m e n g i n e e r i n g n o w i nt h i sp a p e r ，b a s e do nt h em a t h e m a t i c a lp r o g r a m m i n gm e t h o d ，t h es t u d yo nt h e o p t i m a lf l e x i b l ea n a l y s i sa n d r e t r o f i to fs o m et y p i c a lp e t r o c h e m i c a lu n i t s ，s u c ha ss i n g l e d i s t i l l a t i o nc o l u m n ，p u m pa n d p i p er u ns y s t e m ，h e a te x c h a n g e n e t w o r k ，w e r ec o n s i d e r e d a c c o r d i n gt o d i f f e r e n tu n i t ，d i f f e r e n tm a t h e m a t i c a lm o d e lw a se s t a b l i s h e dt og e tt h e f l e x i b i l i t yi n d e x w h i l es o l v i n g t i l em a t h e m a t i c a lm o d a lo fd i s t i l l a t i o n ，t h ea p p r o a c ht h a t c o m b i n i n gt h e r m o d y n a m i c sa n dm a t h e m a t i c a lm e t h o dw a sp r e s e n t e d a c c o r d i n gt ot h e t h e r m o d y n a m i ca n a l y s i s ，i t h a sb e e nf i r s t p r e s e n t e d t h a tt h e a n a l y s i s f o rt h e u p p e r b o u n d so ff e a s i b l er e g i o ni st h ek e yf o rt h ef l e x i b i l i t ya n a l y s i so fd i s t i l l a t i o np r o c e s s ， w h i c h s i m p l i f i e dt h ef l e x i b l ea n a l y s i sm o d e l o fd i s t i l l a t i o n i nt h es a m et i m e ，t h es t u d yo nf l e x i b l eo p t i m i z a t i o nr e t r o f i to fs o m et y p i c a lu n i t s ， s u c ha ss i m p l ec o l u m n ，r e b o i l e r , w e r ea l s oc o n s i d e r e d t h ef l e x i b l er e t r o f i tm o d a lo f s i n g l ee q u i p m e n tw a sp r e s e n t e df i r s t ，t h e n t h es t u d yo nf l e x i b l er e t r o f i to fm u l t i p l e e q u i p m e n t w a sc o n s i d e r e d t h e p r e s e n t e d m o d e la n d s t r a t e g y h a sb e e n a p p l i e d s u c c e s s f u l l yi nt h eo p t i m a lf l e x i b l ed e s i g nf o r a t m v c m ， k e y w o r d s ：p r o c e s ss y s t e m ，f l e x i b l e ，o p t i m i z a t i o n 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究 所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：币魂日期：2 0 0 3 年4 月2 8 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于： 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密囱。 作者签名：孓p ；亳 导师签名： 凌氐 日期：冲；年月，6 日 日期：叫年；月，6 曰 第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论 随着科学技术的进步，现代过程工业装置日趋大型化和联合生产化。特别是在 能源紧张、原材料短缺和环境污染问题日益受到关注的情况下，以单元操作概念为 基础的传统化学工程科学已不能适应现代化大型联合装置的设计、控制和管理优化 的要求，工业技术正逐步从单元技术向系统技术方向发展。6 0 年代以来，在系统工 程、运筹学、过程控制、计算机技术、化学工程和现代数学等学科的基础上产生和 发展起来一门新兴的技术学科化工过程系统工程m 。 化工过程系统工程是将系统工程学的理论和方法应用于化工过程领域的一门 新兴的边缘学科 2 1 ，其基本内容是从化工过程系统的整体目标出发，根据系统内部 各个组成部分的特殊性及其相互关系，确定化工过程系统在规划、设计、控制和管 理等方面的最优策略 3 1 。其主要研究对象是化工、炼油、轻工、食品及冶金等过程 工业领域中以加热工艺为主，将原料转化为产品的生产系统过程系统。过程系 统的能量结构从l i n n h o f f t 4 ，提出的“洋葱模型”发展到华贲m 提出的“三环节模型”。 “三环节模型”以能量流为线索，以热力学第一、第二定律为基础，按能量的功能 和作用把工艺过程分为三个环节：能量的转换和传输环节、能量的利用环节和能量 的回收环节。 过程工业是化学工业、石油炼制工业、石化工业、能源工业、冶金工业、建材 工业、核能工业、生物技术工业以及医药工业等大批量连续性生产工业领域的总称， 也称流程工业。它包含了每个国家的大部分重工业。过程工业中的装置或装置和装 置群统称为过程系统。随着国际竞争的日益激烈，全球经济一体化的趋势日益明显， 以及市场需求和信息的变动，当今的过程工业企业正面临着多方面的挑战，其原料、 产品数量( 加工量) 、质量和价格与所需的公用工程负荷均随市场条件而变化，气候 等环境条件、设备状况也在变化。因此，当前的过程系统面临着多种不同的工况， 必须适应各种变化的工况，并同时保持优化的物耗和能耗状态，只有这样才能保证 产品成本最低，效益最好，市场竞争力强。考虑到生产过程的各种变化工况或可控 性等要求以及相关的随机参数的不确定性( 包括设备的不可用因素) ，对现有工厂或 生产装置进行可操作性分析，或设计一个工厂( 生产单元) 使它能适应未来操作中 一定程度的波动或改变，诸如此类的研究就是过程系统的柔性分析和柔性设计。过 程系统的柔性分析和柔性设计以及可靠性、可维护性等相关方面的集成研究是近年 来过程系统工程研究的热点领域睁2 “。 炼油、石油化工及化工等过程工业是连续性生产过程，原料和产品品种多，流 华南理工大学工学硕士学位论文 程复杂，设计时要考虑的因素很多。化工设计的目的是生成一个设计使得该设计无 论是从费用还是性能方面都是优化的，其中工厂性能包括各方面的标准。个好的 过程设计不仅要能体现投资和操作费用的平衡，还应该能体现那些能够使经济性在 实际操作环境中得以实现的操作特性。可操作性考虑包括柔性，可控制性，可靠性 和安全性。虽然这些方面可能看起来有些相似，但是他们对应着不同的技术概念。 柔性涉及到在一定变化的操作条件下确保稳态操作可行性的问题。而可控制性涉及 的是过程的质量和动态响应的稳定性。可靠性涉及的是给定的正常操作可能引起的 机器或电力的故障。安全性涉及的是这些故障所导致的后果的危害。因为这些操作 特性都是设计层面的直接后果，所以在设计过程中，如果想取得个好的设计结果， 这些方面必须给予足够的重视。 i 2 文献综述 1 2 1 柔性的基本概念 在提出柔性和弹性这两个概念时，我们想先就柔性和弹性两个问题做一个说 明。 柔性和弹性作为操作性能的两个方面，其意义如下： 所谓柔性( f l e x i b i l i t y ) ，g r o s s m a m a 和m o r a r i t x l 定义为：“系统在工艺条件作稳 定改变的情况下，能够调节到满足工艺要求的能力”。比如说一个柔性工厂能够适应 不同的原料、特定的产品或过程条件。o s t r o v s k y ，v o l i n ，和g o l o v a s h k i n 等都为柔 性作了类似的定义。 至于弹性( r e s i l i e n c e ) ，g r o s s m a n n 和m o r a r i m 称其为“工厂( 或系统) 能够 承受及不可预料的变化和扰动，并且恢复到稳态的能力”，比如说一个换热瞬络应 既能承受不确定的变化( 包括进口温度、流量、传热系数等的变化) ，又能平稳地响 应温度和流量的动力学( 短期的) 扰动。 两者的主要区别在于：弹性是指在操作条件偏离设计的情况下，系统能够维持 满足工艺要求状态的能力；而柔性指的是系统处理预期变动的能力。g r o s s m a n n 和 m o r a r 一在1 9 8 3 年时曾表示他们也认为柔性和静态的弹性问的区别并不太明显。因 此他们把两者视为同一个数学问题。本文也将这两个概念放在同一个范畴中来考虑， 即系统适应变动的能力。 1 2 2 柔性分析产生的原因 化工厂的柔性设计指的是在操作条件变化的一定范围内，该设计的化工工艺能 够维持可行的稳态操作的能力。在化工厂的设计和实际操作中不断变动的不确定参 数是我们不能忽视的问题。不确定因素一般可分为两类，一类来自内部的过程参数， 比如物流流率、物流特性、操作温度和传热系数，一类是来自外部的过程参数，比 2 第一章绪论 如进料质量、经济费用以及产品价格等。众所周知，基于一系列固定操作条件下的 过程优化设计在实际的操作过程中并不是总能够保持良好的运行状况的，因为不确 定参数的波动会使得实际的操作条件远远偏离设计点，从而导致操作违背了约束条 件。这就是为什么不稳定状态下，过程系统中的柔性分析会成为近2 0 年来研究的熟 门的原因。随着社会和技术的发展，影响到化工厂利益的不确定参数将越来越多， 因此，在将来的过程综合中，柔性分析仍将是一个关键的问题。 1 2 3 柔性分析的特点 连续过程工业的发展对于任何国家的国民经济发展都有着重大的影响。随着世 界经济的全球化发展趋势，连续过程工业正面i 临者生产规模、经济效益、品种、质 量和环境保护等方面的严峻挑战。世界各国都在注重连续过程工业在国民经济中的 地位，纷纷采用高新技术改造和加快连续过程工业的发展。 化工过程的柔性研究来源于系统工程中的相关课题，运用到化工具体过程中又 使得它具有自己的特点： 在过程优化技术里，把工艺设计与控制整体考虑，在工艺设计的同时考虑到控 制的实施方案及效果，就可以在工艺设计阶段消除那些可能导致控制困难的因素， 这种方法正在受到人们的关注，这也是一种柔性设计思想n ”。 在过程控制领域中体现的柔性主要表现在鲁棒控制、容错控制m 等先进控制策 略上等等，化工过程的柔性研究正随着其应用的不断推广而具有更多崭新的特点。 化工过程优化设计的目标主要是装置或工厂设计要达到操作费( 能耗费) 和投 资费以及人工费的总和为最小。传统的化工设计思维是投资和操作费之间的优化， 而较少考虑操作性能。操作性能包括柔性、可控制性、可靠性和安全性。许多从前 的设计和流程优化考虑的都是在正常操作情况下的化工过程，因此实际运行和设计 之间就存在相当大的差距。造成这种差距的主要原因就是传统的设计和优化程序中 没有明确地考虑和实际操作相关的因素。于是，通常的措旌就是引进附加设备以及 采用不同类型的经验保险设计去改善操作性能。但是，这种方法常常不能保证在偏 离设计点的情况下系统的操作性能是优化的，有时甚至是不可行的。 于是，化工设计中出现了一种新的设计思路，同时考虑经济性和操作性n “，而 柔性作为操作性能的重要方面，在系统的分析和设计中就理所应当受到相当重视。 1 2 4 柔性分析的意义 从柔性研究的理论意义上看，它可以为研究系统特别是过程系统的整体表现特 性提供确实的理论依据，因为柔性是系统操作表现特性的一个重要方面，也是具有 重要理论意义而且所知最少的因素。此外。对系统柔性的研究可以为过程设计提供 考虑柔性的系统理论指导，并最终发展成为一套系统的设计理论和方法。从柔性研 究的实际意义上说。它可以对化工装置及设备甚至全厂的设计、化工单元操作方案 的选定、系统故障诊断及脱瓶颈改造提供全局、系统的理论指导a 华南理工大学工学硕士学位论文 1 2 5 过程系统设计中柔性和相关因素的集成 就如何设计一个柔性的过程系统，从6 0 年代开始就有人开展了这方面的研究， 提出了很多方法，如k i t t r e l 和w a t s o n 2 7 1 采用最小预期费用为目标函数，w e n 和 c h a n g ：”提出要最小预期费用和最大费用函数变化同时考虑，a v r i e l 和w i l d e t ：9 , 提出 了两阶段规划法，w i e s m a n 和h o l z m a n f 3 0 】提出了最小预期费用和违反条件的罚函数的 方法，n i s h i d ae ta 1 睬用极大极小策略，d i t t m a r 和h a r t m a n n ，u 采用操作点费 用最小偏差法，g r o s s m a n n 和s a r g e n t 【”i 采用带可行性限制条件的两阶段规划法 5 w a n e y 和g r o s s m a n n 州等采用带切比雪夫( c h e b y s h e v ) 条件的两阶段规划法， f l o u d a s 和g r o s s m a n n m l 采用带活动限制的最大最小最大问题法，l i n n h o f f 和s m i t h o ”提出要在资金投资、能耗费、柔性三者之间权衡，g r o s s m a n n 和s t r a u b 8 “ 提出对柔性过程的优化估计。所有这些方法中，除了g r o s s m a n n 课题组的以外，都 是基于某种预期费用的优化，但都没有得出有关操作条件可行域的结论。 1 2 ，6 柔性分析方法 近些年来，人们对柔性的认识越来越深，国外众多学者更是就柔性和其他操作 性能的集成以及求解柔性函数的算法等作了很多研究。主要存在两方面的方法：即 数学规划法( m a t h m a t i c a lp r o g r a m m i n ga p p r o a c h )和试探法( h e u r i s t i c a p p r o a c h ) 。 1 2 5 1 数学规划法 数学规划法的特点是在一定的约束下，用数学规划的方法去分析系统在事先假 定好的预期偏差内是否可行。 关于过程系统柔性的研究，c h a c o n - m o n d r a g o n 和l t i m m e l b l u u c l o l 提出了柔性指数 ( f 1 e x i b i l i t yi n d e x ) 毛= ( 】【1 一x 2 ) ( x m - x )( 1 ) 其中，x 。、x 。是输入变量的上界和下界；工。、恐则是输入变量可正常操作 的上界和下界值。可见，o e 1 ，通常总是追求e 取得尽可能大的值，e 越大， 则系统柔性越好。 1 9 8 3 年s a b o o 和m o r a r i 【n m l 用超矩形概念提出了换熟网络弹性指数，以此为基 础，1 9 8 5 年s w a n e y 和g r o s s m a n nm 】进一步提出了适用于任何稳态化工操作过程的 柔性指数，把稳态化工操作过程转变为混合整数非线性规划m i n l p ( m i x e di n t e g e r n o n l i n e a rp r o g r a m m i n g 问题，并初步给出了柔性函数的算法。 能适用于任何稳态化工操作过程的柔性指数f 可表示为： f = m a x 艿 s t e ( d ) 0 t ( 6 ) = f 8 i ( 8 “一出日一) 曰( 8 “+ 阳+ ) l ( 2 ) 其中 4 第一章绪论 _ i _ - _ i _ _ l _ l _ _ _ _ _ _ i _ _ _ l _ _ _ _ - _ _ _ - l _ _ _ l _ _ _ 自_ _ e e l j 自= e e l j l 目1 日日e e e 自! i l 自 一( d ) = m a x r a i n m a x g j ( d ，：，口) j = 1 ，m ( 3 ) 其中，d 是设计变量，口是不确定参数，三是控制变量，占是不定参数相对偏差率，占w 是设计点，疗+ 和口一是不确定参数的最大正、负偏差( 或预期偏差) 。在该情况下， 除了设计变量，还可以通过调节控制变量来满足限制条件。 f 的物理意义是由可行域导出的内接最大超立方体的半边长，当不定参数变化 范围超过，时，整个操作就不可行了i 而两个限制条件就是化工厂操作可行的数学 表达，操作可行的不定参数变化范围就是可行域，可由超矩形对可行域的大小作近 似。 1 2 5 2 试探法 试探法的特点是运用化学工程的知识，结合化工过程的特点，对系统的结构进 行分析，看它在干扰域中是否可行。其代表之一是l i n n h o f f 等提出的“夹点技术” ( p i n c ht e c h n o l o g y ) 。在夹点技术的基础上，许多人对换热网络的灵活性( 弹性) 作了很多研究。早期的换热网络的弹性柔性研究是由h o h m a n n t 6 等提出的网络灵敏 度分析为代表。在后期的工作中，又利用灵敏度表的方法进行网络的分析研究。自 m a r s e l l e e ”- 等人1 9 8 2 年提出较为系统的弹性柔性换热网络集成方法以来，在基本 的弹性柔性换热网络的合成、分析和改进三个方面，研究者进行了大量的工作，其 中以弹性柔性分析领域最为活跃。这里介绍一下l i n n h o f f 提出的下游途径法和灵 敏度表。 l i n n h o f f 等人 3 s l 认为，弹性换热网络的集成是能耗一一投资一弹性的三维权 衡。因此不应把单纯最大能量回收( m e r ) 特征作为网络弹性分析的约束。网络的弹 性分析就是充分了解具体网络及网络内部各点在整个干扰域里的行为，以此为基础， 实现三维权衡的网络弹性改进。为此提出了下游途径和灵敏度表。下游途径 ( d o w n s t r e a mp a t h ) 概念指出：只有与物流方向一致的完全下游途径才能传递干扰， 部分上游途径不能传递干扰。这是对网络传递性能的定性认识。 途径定性地说明了网络里各点之间的潜 在关系，是网络干扰传递结构研究的基图卜1 下游途径法图例 础。灵敏度表则将网络的传递性能定量f i g u r e l 一1d o w n s t r e a mp a t h i l l u s t r a t i o n 化。用一个换热网络模拟程序，考察进 入网络的物流其状态温度( t s ) 变化，热容流率( c r ) 变化和网络里各台换热器u a 值( u 一一总传热系数；a 传热面积) 变化，对网络出口和内部各点的影响。由 于温度变化的线性性，整个网络一张t ( t s ) 表就可以了。但c ，和u a 的影响是非线性 华南理工大学工学硕士学位论文 的，必须一股物流一张t ( u a ) 表。通过这些表可以查出定干扰下，网络各点的温 度变化，从而为网络的弹性柔性改进提供指导。 对于一个换热网络，通过认真寻找可以找出每个物流起始状态( 简称s s ) 和每 个物流终结状态( 简称f s ) 之问的下游途径。为了反映这种分析，可以用下游途径 矩阵( 简称d m ) 来表示它。可以通过网络的结构矩阵来方便地建立下游途径矩阵。 李国庆”在l i n n h o f f 等人工作的基础上，提出了用网络结构矩阵建立下游途径矩 阵的简洁方法，适用于有环路、分流的任何复杂网络，逻辑清晰，可以计算机程序 化。李国庆研究了温度干扰的传递规律，研究了质量及物性干扰的传递及规律，变 温度、流量、物性下网络工况的模拟分析并提出了一个可计算机程序化的框图。李 国庆所提出的程序具有以下特点：( 1 ) 最大限度利用线性处理，不破坏迭代；( 2 ) 模拟 方向循着下游途径方向，提高了针对性；( 3 ) 适用于有分流、环路的情况；( 4 ) 要求输 入正常工况下网络的标定数据。李国庆的方法比l i n n h o f f 等人的方法更简单，更能 解决复杂的实际问题 1 2 7 柔性问题的算法研究 石油化工装置的柔性分析是研究实际生产过程中系统对不确定参数影响的承 受能力，柔性指数的大小反映了这种能力，柔性设计则是要考虑工况在一定范围内 变化的情况下的优化设计 4 1 一。他们最终都可归结为非线性规划问题( n l p ) 。而石油 化工装置的柔性设计和改造涉及到一个优化的问题，可以归结为混合整数非线性规 划问题。8 0 年代随着混合整数规划在过程系统工程中的应用，混合整数非线性规划 方法的研究较为活跃，提出了一些接近工程应用的方法，如广义b e n d e r s 分解法、 外部近似法等。目前，整数规划是运筹学中发展最快的分支之一，新的理论和方法 不断出现，并越来越多地与数学的其他分支( 如图论、群论等) 相互渗透。h a l e m a n e 和g r o s s m a n nm 3 采用的是列举法，计算量大；g r o s s m a n n 和f l o u d a s “”采用的是活 动集策略途径法( a c t i v es e ts t r a t e g ya p p r o a c h ) ，这个方法的缺陷在于如果活动 集( 即活动限制条件) 的数目很大的话，计算量将会很大。一直以来要找到较简单 方法来解决这个问题是很困难的，下面我们将介绍到一些相关的算法。 1 2 7 1 广义b e n d e r s 分解法耵。 这是求解带有复杂变量的最优化问题的一种方法。现有最优化问题【尸】： m i n f ( x ，y ) j v s t g ( 工y ) 0 ( 1 4 ) 工x ，y e y 式中y y 复杂变量。 复杂变量的定义是：若将其取不同的固定值，问题垆】可被分解为一系列仅对j 变量的最优化子问题，而这些子问题与原问题【尸】相比较容易求解，例如【p 为非凸 规划问题而子问题为凸规划问题。若将整数变量作为复杂变量，则该方法可求解 6 第一章绪论 混合整数非线性规划问题。 问题【尸 的子问题定义为 y ( y ) i s u p f ( x ，y ) j s t g ( x , y ) 0 ( 1 - 5 ) j x 利用子问题，定义问题矿】在y 空间上投影【| p o 】： m i n p ( y ) s t y y n v ( 1 - 6 ) 式中v = y l 占( t y ) 其中q 是连续不确定需求参数，q 】d l a x = 兰， q 严= f 日一q 。 j 托，h 是水平时间的 长度，代表了用于处理所有产品的时间；”= = m ? x f 舌，唧n ， j = l ，m ，t 。，是j 阶段中处理一批i 产品花费的时间，v ，是在j 阶段中设备的大 小，s 。是尺寸因子。该方法同时考虑了柔性和可靠性，它假定产品需求的不确定性 以通常的分布函数给出，而预计的设备故障率由离散的概率形式给出。这个方法能 够有效地评估随机柔性，可用来设计、开发多产品间歇工厂的结构。他们集成优化 设备的尺寸和优化利用设备使得在一定投资限额的情况下达到最大的预期随机柔 性，提出了线性规划模型( n l p ) 和混合整数非线性规划( m i n l p ) 模型，这就成为 一个在投资和预期的随机柔性两者间的权衡问题。由此得出一个决定设计的大致程 序，目的是获得最大预期利润。这种方法可以应用到更为复杂的间歇工厂的优化问 题上。 1 3 本课题的主要研究内容 本论文是用数学规划的方法对一些典型的石油化工装置或单元进行柔性问题 的研究。首先利用g r o s s m a n n 和s w a n e y 提出的柔性指数的方法对一些典型的石化装 置进行分析，接下来装置的柔性优化改造技术作了一些研究。在对精馏塔的数学模 型进行求解时，采用了数学规划和热力学知识相结合的方法，先用热力学的方法， 根据工程的实际经验对模型进行简化，继而对简化的模型求解。在对换热网络进行 柔性分析的同时，用l i n n h o f f 提出的下游途径法对其进行了直观的解释。在理论研 究的同时，给出了具体的实例研究。 9 华南理工大学工学硕士学位论文 i 4 本课题的来源 本课题是国家重点基础研究规划项目“高效节能的关键科学问题”中课题八“能 量利用系统创新、集成与优化的多层次一体化建模研究”( g 2 0 0 0 0 2 6 3 0 8 ) 和广东省 自然科学基金项目“过程能量系统的多工况特性及其优化研究”( 0 0 0 4 7 4 ) 的研究内 容。 第二章典型石油化工单元的柔性分析方法研究 第二章典型石油化工单元的柔性分析方法研究 石油化工装置种类繁多，对其逐一举例进行分析，工作量太大，也较烦琐，本 文在这一章节里将挑选一些典型的装置来进行单个装置的柔性分析。本章中我们将 介绍g r o s s m a n n 和s w a n e y 提出的适用于任何稳态化工过程的柔性指数f ，然后在 这种思想的指导下，对一些典型的石油化工单元，如简单精馏塔，泵送系统，换热 网络分别进行柔性建模，并结合热力学的方法对其进行分析。 2 1 过程系统的柔性指数与柔性函数 工厂设计的柔性代表了能适应一组不确定参数口，j = 1 ，p ( 比如，温度、压 力、传热系数等) 。由于柔性的程度由设计能够承受的参数变化范围决定，于是可以 导出一个标量的柔性指数，以便测量不确定参数口空间内的可行域大小。 在图2 - 1 中的可行域r 完全描述了设计的柔性特点。由三条边界围成的区域内 就是工艺流程的可行域，而这个区域之外就是不可行域。当然，这只是一个示意图， 实际的可行域形状可能远为复杂。由于处理一个非规则的几何区域非常困难或者没 有实际可行的意义，于是s w a n e y 和g r o s s m a n n 提出了一个用超矩形近似描述可行域 的方法同时指出这个可行域必须是非凹的。 当一个工艺过程的拓扑结构已知，就可以建立一个数学模型来加以描述，其数 学表达式中包含一些等式方程( 比如各种质量、能量、相平衡方程等) 以及一些不 等式( 比如操作上的限制因素，产品的质量指标等) ： h ( d ，z ，x ，曰) = 0，、 k 。ij g ( d ，z ，x ，曰) 0 其中各变量定义如下： h ( d 。= ，x o ) = 0 表示装置的各种质量、能量、相平衡方程 量( d ，z ，x ，们s o 表示装置的一些操作上的限制因素，如产品的质量指标等 d 尺“表示一个维的设计变量，用来表征工艺过程的结构或设备尺寸，在设计 阶段已经确定，在操作阶段保持常数 z 月m 表示一个i r l 维的控制变量，在工厂操作中能够被调节以达到操作目的( 比 如，流量、压力、热源温度等) 工r * 表示一个r t ，维的状态变量，用以描述过程的行为和状态( 比如，流量、压 力、温度、反应转化率等) 华南理工大学工学硕士学位论文 - i _ _ _ _ _ _ - _ - l _ l _ _ - _ - l _ _ i _ - 目_ _ e 自一 口r 表示一个维的不确定参数( 比如，进料组成、动力学常数等) 。 该数学模型通过数学变型后，得到一个等价的柔性指数表达式，即s w a n e y 和 g r o s s m a n n 提出的能应用于任何稳态化工过程的柔性指数f ： f = m a x 万 跽m a 奶xm ：i o 嗲工( d 矗聊s o ( 2 2 ) r ( 艿) = 口l ( 曰一出目一) 口( 一+ 如口+ ) 0 7 9 l 图2 一i 可行域内的最大超矩形r i z i g m e 2 - 1m 戕如m m 8 c 捌坷f 射既蜡ti n s c r i b e d w i t h i n f e a s i b l e r e g i o n 其中，d 是设计变量，口是不确定参数，= 是控制变量，d 是不定参数相对偏差率， 0 ”是设计点，0 + 和8 一是不确定参数的最大正、负偏差( 或预期偏差) ，( d ，z ，8 ) 为 过程系统正常操作所必需满足的限制条件( 如产品的质量指标、精馏塔的最大汽、 液相负荷等) ，t ( 8 ) 称为柔性函数。图2 - 1 中由三条边界线围成的区域内就是某工艺 过程的二维不确定参数可行域，实际上很多操作过程的可行域是不规则且非常复杂 的，要用数学的方法准确地确定每个参数的变化范围是非常难豹，因此，g r o s s m a n n 和s w a n e y 提出用可行域中的一个内接最大矩形来近似描述实际过程的可行域，这个 矩形范围的确定相对于不规则的可行域来说就简单得多。 考虑不确定参数的变化范围，对于每一维方向上的不确定参数分量8 ，来说，其 正向预期偏差是a o ；，反向预期偏差是町，矩形的边长和预期偏差大小成比例。 这样就可以在可行城内唯一确定一个最大超矩形，这个超矩形的一个顶点或者一边 达到可行域的边界时就得到最大超矩形。如图2 2 所示。把预期偏差作标准化处理， 第二章典型石油化工单元的柔性分析方法研究 o ； o?01 图2 - 2f 空间的可行域和超矩形 f i g u r e 2 2f e a s i b l er e g i o ni n0 - s p a c ea n di n s c r i b e dh y p e r r e c t a n g l e 则对给定的基准点，不确定参数吼正向和反向的变化可以表达成为相对偏差： j 卜攀，j 产盟， j ：1 ，p (2-3)a 口? 。 o 。 。 “ u z 9、 尹 ； l f 0 n jx - 0 、 af 。 气n 1 _ n f n t f 图2 3 在标量化参数空阋中的可行域和超正方形 1 5 9 衄e 2 - 3f e a m ) i e 嘲吼a n d m s a 曲。d h ) p e 胁i n s c 出日p a 脚 i d 玎帜 于是，原来的最大超矩形就标准化成为一个超正方形( 如图2 - 3 ) ，如果是对 于正负偏差恰好为a o ；以及a o ；的最大超矩形，其超正方形的边长的一半就是1 。 很明显，不确定参数在这个超正方形之内是可以保证操作可行的，而超出这个超正 方形之外就无法保证操作可行( 因为无法判断不确定参数点是否仍在可行域内) ，定 义此超正方形的半边长为柔性指数f 。因此，柔性指数f 的物理意义就是，如果经 华南理工大学工学硕士学位论文 式( 2 - 3 ) 标准化后的不确定参数偏差不大于f 的话，那么它就落在超正方形之内， 从而可以保证操作可行。显然，柔性指数尸是非负的。 柔性指数和不确定参数的最大偏差联系在一起，这个最大偏差能够保证通过适 当的控制变量的调控，使得整个操作可行。如果，等于l ，那么该设计能够适应的 预期偏差就是5 8 + 和a 8 一。如果f 大于l ，那么该设计在预期偏差a 8 + 和a 8 一以外的 某个范围内仍然能保持正常的操作。如果柔性指数f 等于0 ，那么，该设计的基准 点就存在于操作的可行边界上。柔性指数f 不能为负数。 2 2 几个典型石油化工单元的柔性分析模型 2 2 1 精馏塔的柔性分析模型 2 2 1 1 精馏过程可行域的确定 对于一个现有的精馏塔，当我们要改变塔的负荷以达到新的生产目的时，我们 首先要对其是否能够适应这种负荷进行分析，所谓柔性分析的目的，就是要找出精 馏塔实际能够达到的偏差与我们期望它能够达到的偏差的比值，也就是找出我们上 文中定义的柔性指数，知道了这个比值，也就能够确定精馏塔实际能够承受的负荷。 在得到这个柔性指数之前，我们要先对精馏塔建模，其可行域的确定就是我们首先要 研究的问题。 对于精馏塔而言，塔内液相流量或负荷和汽相流量或负荷矿是整个操作的两 个不确定参数，这两者又是由进料流量、组成与或产品质量、收率等的变化所致。 显然，精馏塔的操作可行域由塔的负荷性能图决定，整个可行域由五条线围成： 1 ) 漏液线，此线是操作气速的下限； 2 ) 过量雾沫夹带线，此线是操作气速的上限； 3 ) 液相下限线，此线是操作液相流率的下限； 4 ) 液相上限线，此线是操作液相流率的上限； 5 ) 液泛线，此线是降液管内清液层高度的上限。 这五条线的方程在柔性分析里可被变形为可行性函数，各线方程m ，具体如下： ( 1 ) 对于塔的气相操作上限来说，该上限由线2 和线5 构成。由雾沫夹带线2 确定的可行性函数为： e ，一e v , 。曼0 ( 2 4 ) 式中 e 。：雾沫夹带量( 与表面张力、气体速度、塔板间距、塔板上鼓泡层高度有关) ， k g k g 汽： 岛：允许最大雾沫夹带量 1 4 第二章典型石油化工单元的柔性分析方法研究 由液泛线5 确定的可行性函数为： ( h 。庐) 一 。一h r 0 ( 2 - 5 ) 式中 五。铃堰高，册 日。降液管内液面高度，m 。堰高，m ； 毋泡沫层的相对比重，一般在0 3 - 0 7 范围内。 而塔的气相操作下限线漏液线1 ( 填料塔可不考虑此约束条件) ，其操作的可行性函 数为： v 。一v 。0 ( 2 6 ) 式中 v 。、v 。通过塔板开孔处的气体速度及漏夜点气体速度 类似地，对于液相操作上下限，可以给出液相上限线4 的操作可行性函数： f 一矗0 ( 2 - 7 ) 式中r 、f o 一一降液管( 板式塔) 或填料塔内液相停留时间及其上限，s 以及液相下限线3 的操作可行性函数： k l 兰0 ( 2 - 8 ) 其中 l 、l 。液体流量、最小液体流量，肌3 s ； 由上述这些方程可以确定精馏塔操作的可行域a 2 2 1 2 精馏塔柔性分析数学模型及其求解策略 根据过程系统柔性分析的通用数学模型，可写出精馏塔的柔陛分析数学模型1 如下： f = m a x 疋，民 ( 2 9 ) s t 巳一p ，傩：0 ( h d 妒) 一h 。一h r 0 一v 。0 f 一矗0 l 一l 0 矗一压眦( o一，* k 一附 0 工d m 一魂0 一 一一一 一 一 一 华南理工大学工学硕士学位论文 3 0 扎m 一晚0 儡c o r d 一澎。o 饯蜷r c b 。t 。o 8 = 口“+ 融0 。 2 0 卜 旦 3 ：-l 1 0 _ - 5 l l l _ j l l l m 3 h 01 0 02 0 03 0 04 0 0 图2 4 筛板塔的可行域、超矩形示意图 f i g u r e 2 4f e a s i b l er e g i o na n dh y p e r r e c t a n g l eo fp l a t ec o l u m n 其中： f ：进料流率，妇s ( m o l ，s ) 8 ，d ；塔底、塔顶产品流率，妇s ( m o l s ) 缸一轻关键组分回收率 矾、欢：重、轻关键组分塔顶最大含量 上述限制条件中，式( 2 1 0 - 6 9 ) 是产品收率及分离要求。式( 2 1 0 一1 0 ) 和式 ( 2 - 1 0 - 1 1 ) 是冷凝器和再沸器的传热面积限制该模型是混合整数非线性规划( m i n l p ) 模型。 2 2 1 3 求解策略 以上模型式一个混合整数非线性规划( m i n l p ) 模型，联合运用求解h t i n l p 的软 件g a m s 和流程模拟软件( 如p r o i i ) 及塔板与填料的水力学分析软件，可得到精馏 塔的柔性指数，确定精馏塔的操作范围。但是在实际的求解过程中，由于影响精馏 塔操作性能的约束条件太多，变量也非常多，要对其进行求解是非常困难的，因此， 本文提出数学规划法和人工智能法 4 9 ，s o 交叉协同的思想，即结合热力学分析的方法， 利用实际工程的经验对精馏塔的约束条件及控制变量进行简化，然后再联合利用 第二章典型石油化工单元的柔性分祈方法研究 _ l l l l - _ _ _ _ i l _ l l i _ _ l _ _ _ i - _ l - _ i i i i _ 一 g a i s 软件和p r o i i 软件对简化后的模型进行求解。在这种思想的指导下，本文对精 馏塔的操作进彳亍了分析，用以下的观点对其进行简化。 2 2 14 精馏塔的柔性分析关键一操作上限分析 对于任何化工过程，柔性分析通常包括操作下跟和操作上腰的分析。但对精馏 塔而言，当其汽、液相处于适宜操作区的下限以外而使精馏塔的塔板或填料效率大 大降低、以致不能满足产品分离要求时，则可以通过增大回流比等措旖来使得汽液 相负荷恢复到适宜操作区，从而满足产品分离要求；而当塔的汽、液相处于适宜操 作区的上限以外时，则除了降低处理量或产品收率、质量外( 面这是不允许的) ，没 有其他措施使得操作恢复到适宜操作区。因此，精馏塔的柔性分析只需要针对其操 作上限分析即可。 2 2 1 5 实例研究 这里以某炼油厂气体分馏装置( 以下简称气分装置) 中脱丙烷塔为例评估设计 的柔性。该塔操作压力是2 o m p a ，其进料为3 1 2 5 0 幻h ( 平均分子量5 1 4 8 ) 的 液化石油气，其中组成见表2 一l 。工艺要求列于表2 - 2 ，它在这里作为该柔性分析问